2018-09-24
Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
Все заметки
Медленные магнитные волны
Для многих исследователей и любителей физики эти данные могут стать откровением, т.к. иногда частично, а иногда и полностью они будут выходить за рамки классических представлений о магнитном поле и волновых процессах в длинной линии. В этой заметке мы расскажем об экспериментах и оборудовании для них, обсудим совершенно необычные их результаты, а затем поговорим и о генераторе на этом эффекте.
Из курса радиотехники мы знаем о волновых процессах возникающих в длинных линиях (ДЛ). Они хорошо описываются телеграфными уравнениями и теорией Максвелла, часто применяются на практике и хорошо изучены экспериментально. Главное отличие длинной линии от сосредоточенной — распределение пучностей тока и напряжения вдоль неё. В ДЛ такое распределение начинается при условии её длины равной 1/4 от длины волны, а сама волна распространяется вдоль ДЛ с около световой скоростью. В сосредоточенной линии, пучностей тока и напряжения не наблюдается, т.к. длина такой линии намного меньше длины волны. Так всё и было до открытия медленных волн, которые позже Д. Смит назовёт — магнитными.
Классическое распределение электрического и магнитного полей в длинной линии в режиме 1/4 длины волны
Рассмотрим простейшую схему с генератором G1, подключённым к длинной линии L2 через индуктор L1 (рис. 1.1). К слову, это схема классического трансформатора Теслы. Найдём в ней такую частоту генератора, чтобы длина ДЛ стала равной 1/4 его длины волны. В этом случае, установится режим с пучностью тока в начале ДЛ и пучностью напряжения в её конце, что полностью соответствует классическим представлениям. Для магнитного поля это означает его максимум в начале ДЛ, а максимум электрического — в её конце, что и изображено на рисунке (1.2).
Как вы думаете, что в реальности будет с распределением магнитного поля (МП) вдоль ДЛ, если мы начнём уменьшать частоту генератора? С позиций классической радиотехники мы получим схему с сосредоточенными параметрами, где не должно наблюдаться перераспределения тока и напряжения. Но так ли это на самом деле? Постепенно уменьшая частоту генератора сначала мы доберёмся до режима 1/8 длины волны, где, при определённых условиях, сможем наблюдать первое неклассическое явление — отсутствие МП вокруг проводника по которому течёт ток. А чтобы наблюдать ещё более необычное поведение МП, нам необходимо будет спуститься генератором до частот, соответствующих 1/100 (и меньше) от длины волны L2. Казалось бы, вот уже где никакого перераспределения МП мы не сможем увидеть, но именно здесь и начинается самое интересное!
Неклассическое распределение магнитного поля
Для исследования такого необычного, с точки зрения классики, поведения МП соберём ещё более простую схему (рис. 2.2). К слову, можно оставить и предыдущую (1.1), но поскольку здесь электрическое поле здесь не выявляет никаких аномалий, и свободный конец L2 не нужен, то и индуктор L1 из схемы можно убрать. Неклассическое распределение магнитного поля на сверхнизких частотах. Сравнение с классическим Те из наших читателей, кто ни разу не обращал своё внимание на такую аномалию, будут сильно удивлены, т.к. вместо ожидаемого постоянного распределения МП по длине катушки, в реальности мы будем наблюдать совсем другую картину.
Если поднести компас торцам L2, то можно даже сначала подумать, что катушка образовала монополь, т.к. на обеих её концах компас покажет одинаковый полюс. На самом деле, распределение МП в катушке будет таким, как изображено на рисунке (2.2), где положительные значения H соответствуют одному полюсу, а отрицательные — другому. Это соответствует полно волновому распределению в классической ДЛ с двумя явными отличиями: электрическое поле (E) здесь постоянно по всей длине, а график распределения магнитного смещён и показывается без модуля! Эти отличия представлены на рисунках 2.3 (распределение магнитного и электрического полей в классической полно волновой ДЛ) и 2.4 (распределение магнитного и электрического полей с медленными волнами).
Но как такое возможно? Ведь частота генератора G1 соответствует сотым долям классической длины волны. Здесь нужно вспомнить, что в теории длинных линий скорость распространения волны около световая, и от неё мы и отсчитываем длину волны. Если быть более точным, то в классике скорость волны в ДЛ считается, как скорость света умноженная на коэффициент, учитывающий свойства проводника. Но для меди или даже для изоляции провода это будут величины, немного отличающиеся от единицы, но никак не порядка 1/100. А значит, мы имеем дело с принципиально другим типом волн! Далее, мы продолжим изучение необычных свойств таких полей, а сами волны будем называть медленными или магнитными.

Пример. Катушка L2 намотана проводом диаметром 2мм на пластиковый каркас диаметром 50мм. Число витков — 150. Длина провода — 23.5м. Частота генератора G1 для получения 1/4 волны в такой ДЛ должна быть 3.2МГц. Но для медленных волн частота генератора составит всего порядка 15кГц

К слову, хоть электрическое поле и отражено на рисунке (2.4), на самом деле представляет собой очень маленькую величину, что вполне логично для таких низких частот.
Индикатор магнитного поля
Для получения более объективной картины распределения МП с медленными волнами одного компаса будет недостаточно. Не подойдут и тестеры точно измеряющие величину МП.
Индикатор магнитного поля показывающий направление его силовых линий
Рис.3. Индикатор МП показывающий направление его силовых линий
Дело в том, что все эти приборы не могут определять направление магнитных силовых линий во всех плоскостях. Как ни страно, но помочь нам в этом сможет достаточно простой индикатор, схема которого представлена на рисунке слева. На отрезок ферритового стержня длиной в 3-5см и проницаемостью 400-600НМ, наматывается медный провод диаметром 0.3-0.4мм в количестве 50-70 витков. К концам таким образом намотанной катушки подпаиваются два встречно включённых светодиода VD1, VD2. Сами светодиоды желательно выбирать из разряда сверхъярких, на напряжение 1.5В, тогда чувствительность индикатора возрастёт на порядок. На последующих рисунках свечение светодиодов такого индикатора условно будем обозначать синим и красным цветом.
Ещё лучшие результаты для чувствительности даст феррит, применяемый в фильтрах питания или — от кабеля монитора. При выборе феррита нужно руководствоваться следующим принципом: у него должны быть два ярко выраженных полюса и он не должен быть слишком высокочастотным.
Пользоваться таким индикатором также довольно просто: необходимо будет проносить его вдоль исследуемой катушки, причём, как соосно, так и в перпендикулярной к ней плоскости. Об этих исследованиях, а также о генераторе на медленных волнах, читайте в следующем разделе.
 
1 2 3 4

© Горчилин Вячеслав, 2018 г.
* Перепечатка статьи возможна с условием установки ссылки на этот сайт и соблюдением авторских прав

2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin